PL181478B1

PL181478B1 - Urzadzenie do wytwarzania cieplej wody uzytkowej oraz sposób wytwarzania cieplej wody uzytkowej PL

Info

Publication number: PL181478B1
Application number: PL96317274A
Authority: PL
Inventors: Philippe Pontiggia; Olivier Tastet
Original assignee: Gaz De France
Priority date: 1995-12-01
Filing date: 1996-11-29
Publication date: 2001-07-31
Also published as: DE69615809D1; ATE206812T1; HUP9603002A2; HUP9603002A3; FR2741939A1; EP0781965A1; HU9603002D0; SK152996A3; CZ348296A3; PL317274A1; EP0781965B1; FR2741939B1

Abstract

1 . Urzadzenie do wytwarzania cieplej wody uzytkowej przez kociol gazowy z palnikiem atmosferycznym, zawierajace palenisko kotla wyposazone w palnik zasilany gazem za posrednictwem za- woru modulacyjnego sterowanego elektrycznie oraz co najmniej jeden wymiennik ciepla pomiedzy wspomnianym paleniskiem oraz obwodem wytwarzania wody uzytkowej zawierajacy przewód doprowadzenia zimnej wody oraz przewód czerpania cieplej wody uzytkowej, znamienne tym ze urzadzenie to zawiera ponadto urzadzenie (40) do pomiaru natezenia czerpanej cieplej wody uzytkowej (Q e c s ) w obwodzie (11,14) wytwarzania cieplej wody uzytkowej, urzadzenie (30) do pomiaru temperatury (Ts) cieplej wody uzytkowej na wyjsciu wymiennika ciepla (13) oraz uklad (100) sterowania zaworem modulacyjnym (20) zawierajacy modul (102) regulacyjny w obwodzie zamknietym zaworu modu- lacyjnego (20) poczawszy od temperatury (Ts) mierzonej przez wspomniane urzadzenie (30) pomiaru temperatury oraz temperatu- ry nastawionej (Tc), modul (i03) o dzialaniu proporcjonalnym re- gulacji bezposredniej zaworu modulacyjnego (20) na podstawie informacji (Q e c s ) dostarczonych przez urzadzenie (40) pomiarowe natezenia czerpania wody (Qtcs), oraz modul (104) regulacji impu- lsowej zaworu modulacyjnego (20) na podstawie wykrytych zmian natezenia przez urzadzenie (40) pomiarowe natezenia, modul (104) regulacji impulsowej wywolujacy sygnal tworzacy pik natezenia zasilania gazem palnika (12) za pomoca zaworu modulacyjnego (20) przy kazdej znaczacej, gwaltownej zmianie natezenia czerpa- nia cieplej wody uzytkowej ( Q e c s ) mierzonej przez wspomniane urzadzenie pomiarowe (40), pik jest dodatni lub ujemny wedlug tego jak zmiana odpowiada zwiekszeniu lub zmniejszeniu tego na- tezenia, wartosci poczatkowa oraz koncowa piku wynosza zero oraz amplituda piku jest proporcjonalna do wykrytej zmiany nate- zenia. F IG .1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do wytwarzania ciepłej wody użytkowej oraz sposób wytwarzania ciepłej wody użytkowej dla kotła gazowego z palnikiem atmosferycznym. Urządzenie to zawiera palenisko kotła wyposażone w palnik zasilany gazem za pośrednictwem zaworu modulacyjnego sterowanego elektrycznie oraz co najmniej jeden wymiennik ciepła umieszczony pomiędzy wspomnianym paleniskim oraz obwodem wytwarzania wody użytkowej zawierającym linię doprowadzenia zimnej wody oraz linię czerpania ciepłej wody użytkowej.

Wynalazek dotyczy również sposobu regulacji temperatury ciepłej wody użytkowej w urządzeniu wytwarzania ciepłej wody użytkowej przez wymianę ciepła z paleniskim kotła gazowego zawierającym palnik atmosferyczny, którego natężenie zasilania gazem jest modulowane z układu automatycznego sterowania.

W znanych urządzeniach wytwarzania ciepłej wody użytkowej za pomocą kotła gazowego, temperatura wyjściowa ciepłej wody użytkowej ma tendencję do zmiany w zależności od ilości ciepłej wody zużywanej przez użytkowników. W ten sposób, w przypadku zwiększenia natężenia czerpania ciepłej wody przez użytkownika biorącego kąpiel lub prysznic, lub z faktu włączenia do użytkowania innego urządzenia pobierającego ciepłą wodę, takiego jak maszyna do mycia naczyń, temperatura wyjściowa wytwarzanej ciepłej wody ma tendencję do obniżenia. Aby zapobiec tej niedogodności, przewidziano już sposób regulacji natężenia gazu dostarczonego do palnika kotła, natężenie gazu jest sterowane przez zawór modulacyjny sterowany elektrycznie.

Różne znane układy automatycznego sterowania, mechaniczne lub elektroniczne, nie pokazano jednakże jako wystarczająco skuteczne, aby zagwarantować stałą temperaturę zużywanej ciepłej wody, właśnie w przypadku gwałtownych zmian natężenia, które są jednak częste w praktyce, szczególnie, kiedy wielu użytkowników zaopatruje się w ciepłą wodę z tego samego urządzenia wytwarzania ciepłej wody.

Celem wynalazku jest zapobiec wymienionym niedogodnościom oraz pozwolić utrzymywać stałą oraz stabilną wartość temperatury wyjściowej ciepłej wody użytkowej dostarczonej przez urządzenie do wytwarzania ciepłej wody użytkowej przez kocioł gazowy, jakiekolwiek będzie natężenie wody czerpanej, włącznie z tym, kiedy zmiany natężenia są bardzo gwałtowne wynikające z faktu włączenia lub zatrzymania przez użytkownika urządzenia zużywającego ciepłą wodę.

Celem wynalazku jest urządzenie do wytwarzania ciepłej wody użytkowej.

Celem wynalazku jest sposób wytwarzania ciepłej wody użytkowej w urządzeniu do wytwarzania ciepłej wody użytkowej.

Cele te zostały osiągnięte dzięki urządzeniu do wytwarzania ciepłej wody użytkowej dla kotła gazowego z palnikiem atmosferycznym, zawierającemu palenisko wyposażone w palnik zasilany gazem za pośrednictwem zaworu modulującego sterowanego elektrycznie, oraz co najmniej jeden wymiennik ciepła pomiędzy wspomnianym paleniskiem oraz obwodem wytwarzania ciepłej wody użytkowej zawierającym linię doprowadzenia zimnej wody oraz linię czerpania ciepłej wody użytkowej, charakteryzuje się tym, że urządzenie to zawiera ponadto urządzenie do pomiaru natężenia czerpanej ciepłej wody użytkowej Q_ECS w obwodzie wytwarzania ciepłej wody użytkowej, urządzenie do pomiaru temperatury Ts ciepłej wody użytkowej na wyjściu wymiennika ciepła oraz układ sterowania zaworem modulacyjnym sterowanym elektrycznie, układ sterowania zaworem modulacyjnym zawierający moduł regulacyjny w obwodzie zamkniętym zaworu modulacyjnego od temperatury Ts zmierzonej przez wspomniane urządzenie pomiaru temperatury oraz na podstawie temperatury nastawionej Tc,

181 478 moduł o działaniu proporcjonalnym regulacji bezpośredniej zaworu modulacyjnego na podstawie informacji Q_ECS dostarczonych przez urządzenie pomiarowe natężenia czerpania wody Qecs’ ^oraz moduł regulacji impulsowej zaworu modulacyjnego na podstawie wykrytych zmian natężenia przez urządzenie pomiarowe natężenia, moduł regulacji impulsowej wywołujący sygnał tworzący pik natężenia zasilania gazem palnika przez zawór modulacyjny przy każdej gwałtownej, znaczącej zmianie natężenia czerpania ciepłej wody użytkowej Q_ECSzmierzonej przez wspomniane urządzenie pomiarowe, pik jest dodatni lub ujemny według tego jak zmiana odpowiada zwiększeniu lub zmniejszeniu tego natężenia, wartości początkowa oraz końcowa piku są zerowe oraz amplituda piku jest proporcjonalna do wykrytej zmiany natężenia.

W sposób bardziej szczegółowy, moduł regulacji impulsowej zawiera środki do wywołania sygnału próbkowanego tworzącego pik natężenia gazu Q_G3, którego wartość jest otrzymywana w funkcji natężenia czerpanej ciepłej wody użytkowej Q_ECS ^za pomocą następującego wzoru próbkowania:

Q_G3(n) = kUOc (n-l)+k₂.* (Q_ECs(n)-QEcs(n-l) , gdzie:

k] jest współczynnikiem, którego wartość zawiera się pomiędzy 0 i 1, k₂ jest parametrem dodatnim regulowanym w zależności od typu kotła,

Q_G3 (n) oraz Q_G3 (η-1) oznaczają wartość piku natężenia gazu Q_G3 w chwilach n orazn-1, oraz

Qecs (ⁿ) ^oraz Qecs O¹) oznaczają wartość natężenia czerpania wody użytkowej w chwilach n oraz n-1.

Według szczególnego sposobu realizacji, moduł regulacji impulsowej zawiera środki, aby określić parametr dodatni k₂ regulowany w zależności od typu kotła, na podstawie następujących danych: pojemność cieplna Cp wody, sprawność η instalacji, wartość opałowa dolna PCI gazu, temperatura nastawiona Tc oraz temperatura wody zimnej Tef wprowadzonej do obwodu cyrkulacji ciepłej wody użytkowej, według wzoru k₂ = Cp*(Tc-Tef)/n*PCI.

Korzystnie, moduł regulacyjny w obwodzie zamkniętym zawiera obwód automatycznego sterowania typu PID, którego wielkość wejściowa jest utworzona przez odchylenie pomiędzy temperaturą Ts zmierzoną przez wspomniane urządzenie pomiarowe temperatury oraz temperaturą nastawioną Tc.

Według innego korzystnego sposobu wykonania, moduł regulacyjny w obwodzie zamkniętym zawiera sterownik zgrubny otrzymujący na wejściu informację błędu temperaturowego E odpowiadającego różnicy pomiędzy temperaturą Ts zmierzoną przez wspomniane urządzenie pomiarowe temperatury oraz temperaturą nastawioną Tc, jak również informację odpowiadającą pochodnej względem czasu informacji błędu temperaturowego.

W tym przypadku, najchętniej, moduł regulacyjny w obwodzie zamkniętym zawiera ponadto obwód automatycznego sterowania typu PI umieszczony na wyjściu sterownika zgrubnego oraz otrzymujący na wejściu informację dQ_G zmian natężenia zasilania gazem palnika.

Pozwala to uniknąć ewentualnych niestabilności lub oscylacji układu.

Wynalazek dotyczy również sposobu wytwarzania ciepłej wody użytkowej w urządzeniu wytwarzania ciepłej wody użytkowej przez wymianę ciepła z paleniskiem kotła gazowego zawierającego palnik atmosferyczny, którego natężenie zasilania gazem jest modulowane z układu automatycznego sterowania i przez regulację temperatury według wynalazku

181 478 charakteryzującego się tym, że regulację temperatury prowadzi się poprzez uzależnienie natężenia Q_g zasilania gazem wspomnianego palnika jest uzależnione od pomiaru natężenia Q_ECSczerpania ciepłej wody użytkowej, z jednej strony, przez regulację bezpośrednią o działaniu proporcjonalnym od wspomnianego pomiaru natężenia (Q_ECS) czerpania ciepłej wody użytkowej oraz, z drugiej strony, przez regulację impulsową od znaczących skoków (AQ_ECS) wartości zmierzonej natężenia (Q_ECS ) czerpania ciepłej wody użytkowej, przy czym regulacja impulsowa wywiera wpływ na natężenie (Q_G) zasilania gazem palnika w taki sposób, aby stworzyć pik według funkcji “pik” f (t) takiej, że, jeśli t = 0 jest chwilą skoku natężenia △Qecs dodatniego, odpowiednio ujemnego, funkcja f (t) jest zdefiniowana przez:

f(0-) = 0 f (0+) = k₂ AQ_ecs ze współczynnikiem k₂, dodatnim, f jest malejąca (odp. rosnąca) w przedziale ]0, + oc [ limf(t) = 0 ’ t —> + oc.

W tym przypadku, współczynnik dodatni k₂ może być regulowany w zależności od typu kotła, na podstawie następujących informacji: pojemności cieplnej Cp wody, sprawności η urządzenia, wartości opałowej dolnej PCI gazu, temperatury nastawionej Tc oraz temperatury zimnej wody Tef wprowadzonej do obwodu cyrkulacji ciepłej wody użytkowej, według wzoru:

k₂=Cp* (Tc-Tef) /η*ΡΟΙ.

Korzystnie, natężenie Q_G zasilania gazem wspomnianego palnika ponadto uzależnia się od odchylenia pomiędzy temperaturą rzeczywistą Ts wytwarzanej ciepłej wody użytkowej oraz temperaturą nastawioną Tc według automatycznego sterowania w obwodzie zamkniętym typu PID proporcjonalno-całkująco-różniczkującym.

Według innego korzystnego sposobu wykonania, natężenie Q_G zasilania gazem wspomnianego palnika jest ponadto uzależnione, przez układ sterowania zgrubny, od informacji błędu temperatury E odpowiadającego różnicy pomiędzy temperaturą rzeczywistą Ts wytwarzanej ciepłej wody użytkowej oraz temperaturą nastawioną Tc oraz od informacji odpowiadającej pochodnej względem czasu informacji E błędu temperaturowego.

W tym przypadku, najchętniej, natężenie Q_G zasilania gazem wspomnianego palnika jest ponadto uzależnione od informacji wyjściowej układu sterowania zgrubnego stosownie do automatycznego sterowania proporcjonalno-całkującego typu PI.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest przedstawiony na rysunku, na którym:

- figura 1 jest schematem blokowym zespołu urządzenia do wytwarzania ciepłej wody użytkowej według wynalazku; fig. 2 jest wykresem przedstawiającym przykład gwałtownego obiegu, w funkcji czasu natężenia Q_ECS ciepłej wody użytkowej czerpanej w urządzeniu takim jak te z fig. 1; fig. 3 jest wykresem przedstawiającym w sposób porównawczy przebieg temperatury wyjściowej ciepłej wody użytkowej wytwarzanej w urządzeniu klasycznym oraz w urządzeniu z fig. 1, kiedy natężenie ciepłej wody czerpanej zmienia się stosownie do wykresu z fig. 2; fig. 4 jest wykresem przedstawiającym przebieg w funkcji czasu ilości gazu dostarczonego do palnika urządzenia z fig. 1, kiedy natężenie ciepłej wody czerpanej zmienia się stosownie do wykresu z fig. 2; fig. 5 jest schematem blokowym wariantu wykonania urządzenia do wytwarzania ciepłej wody użytkowej według wynalazku, który wprowadza sterownik zgrubny; fig. 6 przedstawia przykład tabeli implikacyjnej, która może być skojarzona ze sterownikiem zgrubnym urządzenia z fig. 5; fig. 7 przedstawia przykład funkcji przynależnych zmiennej wejściowej (odchylenie temperaturowe E) sterownika zgrubnego urządzenia z fig. 5; fig. 8 przedstawia przykład funkcji przynależnych innej zmiennej wejściowej (pochodna po czasie odchylenia temperaturowego E) sterownika zgrubnego urządzenia z fig. 5; oraz

181 478 fig. 9 przedstawia przykład funkcji przynależnych zmiennej wyjściowej (odchylenie natężenia zasilania gazem dQ_G) sterownika zgrubnego urządzenia z fig. 5.

Figura 1 przedstawia w sposób schematyczny urządzenie do wytwarzania ciepłej wody użytkowej zawierające palenisko kotła gazowego 10 wyposażone w palnik atmosferyczny 12 zasilany gazem o natężeniu Q_G płynącym z zaworu modulacyjnego 20 sterowanego elektrycznie. Obwód wytwarzania ciepłej wody użytkowej zawiera wlot 11 zasilania w zimną wodę o temperaturze Tef, wymiennik ciepła 13 pomiędzy zimną wodą oraz ciepłem wydzielanym w palenisku 10 przez płomień pochodzący z palnika 12 oraz wylot 14 zasilania ciepłej wody użytkowej o temperaturze wyjściowej Ts oraz z natężeniem Q_ECS.

W urządzeniu domowym, natężenie Q_ECS czerpanej ciepłej wody użytkowej przez użytkowników zmienia się w sposób gwałtowny oraz nie możliwy do przewidzenia w zależności od liczby urządzeń zużywających ciepłą wodę włączonych lub wyłączonych (prysznic, umywalka, wanna kąpielowa, maszyna do mycia naczyń,...). Jeśli ilość ciepła wytwarzanego w palenisku kotła 10 pozostaje stała, zmiany natężenia Q_ECS doprowadzą automatycznie do zmian w tej samej kolejności dla temperatury Ts wytwarzanej ciepłej wody użytkowej, co okaże się nieprzyjemne dla użytkowników. Dlatego więc urządzenie według wynalazku jest wyposażone w układ 100 sterowania zaworem regulacyjnym 20 tak, aby móc dopasować w rzeczywistym czasie natężenie gazu Q_G dostarczanego do palnika 12 oraz w ten sposób zapewnić utrzymanie stałej lub ąuasi stałej temperatury wyjściowej Ts ciepłej wody użytkowej.

W tym celu, urządzenie zawiera przepływomierz 40 umieszczony w obiegu wytwarzania ciepłej wody użytkowej, aby mierzyć stale natężenie rzeczywiste czerpanej ciepłej wody. Temperatura wyjściowa Ts ciepłej wody użytkowej jest, w ten sam sposób, mierzona przez czujnik temperaturowy 30 dostarczający, przewodami 41, odpowiednio 32, informacje o wartościach natężenia Q_ECS oraz temperatury Ts do układu sterowania 100 zaworu regulacyjnego 20, który może zawierać mikrosterownik przyłączony do przetworników analogowo-cyfrowych (dla informacji wejściowych) oraz do przetwornika analogowo-cyfrowego (dla sterowania zaworem 20).

Wartość temperatury nastawionej Tc, która musi być utrzymywana jako temperatura wyjściowa Ts ciepłej wody użytkowej, może być określona raz dla wszystkich w układzie sterowania 100 lub musi być dostarczona na podstawie informacji zewnętrznej dostarczonej przewodem 31 poprzez styk połączeniowy pomiędzy układem sterowania 100 oraz użytkownikami.

Stosownie do wynalazku, układ sterowania 100 zawiera moduł regulacyjny 104, który otrzymuje na- wejściu, przewodem 41, informację dostarczoną przez przepływomierz 40 dotyczącą natężenia Q_ECS czerpanej ciepłej wody użytkowej. Moduł 104 wykrywa znaczące gwałtowne zmiany natężenia Q_EGS, które tworzą skoki natężenia wartości AQ_ECS, oraz generuje na wyjściu, na przewodzie 141, sygnał sterowania zmierzający do spowodowania błyskawicznie piku natężenia gazu Q_G3 zanim zostanie dostarczony przez zawór modulacyjny 20 do palnika 12, od pojawienia się takiego skoku natężenia AQ_ECS.

Właściwości modułu 104 generującego piki natężenia gazu Q_G3 w chwili gwałtownych zmian natężenia AQ_ECS są następujące:

- piki natężenia gazowego Q_G3 są spowodowane jedynie przez wykrycie zmian natężenia gazu mierzonego przez przepływomierz 40,

- wartości początkowe oraz końcowe piku wynoszą zero,

- amplituda pików jest proporcjonalna do zmiany AQ_ECS natężenia czerpanej ciepłej wody użytkowej,

- pik ma taki sam zwrot co zmiana AQ_ECS natężenia czerpania wody, to znaczy, że pik jest dodatni, kiedy natężenie Q_ECS wody ciepłej wzrasta oraz pik jest ujemny, kiedy natężenie

Qecs wody ciepłej obniża się.

Ogólnie, funkcja “pik” f (t) dająca ukształtowanie piku w funkcji czasu w chwili skoku natężenia AQ_ECS dodatniego (odpowiednio ujemnego) może wyrazić się w sposób następujący:

181 478 niech t = O jest chwilą skoku natężenia AQ_ECS dodatniego (odpowiednio ujemnego),wtedy funkcja f (t) definiuje się przez:

f(0-) = 0 f (θ⁺) ⁼ ^2^QeCS, ^z ^2 ^> θ>

f jest malejąca (odp. rosnąca) w przedziale ]0, +a[ limf(t) = 0 t —> + oc .

Współczynnik k₂ dodatni jest stałą, której wartość jest określona w zależności od typu kotła oraz rodzaju zastosowanego gazu palnego.

Tytułem przykładu, współczynnik k₂ może być określony na podstawie następujących informacji:

pojemność cieplna wody Cp sprawność instalacji η wartość opałowa dolna gazu PCI temperatura nastawiona Tc oraz temperatura Tef wpuszczonej zimnej wody do obwodu zasilania ciepłą wodą.

Tytułem przykładu, temperatura zimnej wody może zawierać się pomiędzy 5°C oraz 15°C z wartością średnią 10°C; temperatura nastawiona może wynosić 50°C, wartość pojemności cieplnej wody Cp można przyjąć, że wynosi 4180 J/kg; wartość opałowa dolna gazu PCI dla gazu naturalnego może być rzędu 10 000 oraz sprawność η kotła oraz wymienników ciepła (to znaczy odchylenie pomiędzy mocą dostarczoną przez kocioł oraz mocą odzyskiwaną przez wodę) może zawierać się pomiędzy 0,7 oraz 0,95.

W typowych warunkach funkcjonowania, współczynnik k₂ może w ten sposób przedstawiać wartość rzędu 20.

W przykładzie tym, w przypadku skoku natężenia dodatniego (odpowiednio ujemnego) △Qecs ⁰ $ litrów na minutę, to znaczy 0,1 kg/s, wartość uzupełniająca gazu Q_G3 dostarczonego przez palnik 12 powinna być na poziomie wierzchołka piku rzędu 2 m³/h.

W praktyce, układ sterowania 100 wyposażony w mikrosterownik działa z krokiem czasowym oraz funkcja f (t) wymieniona powyżej, która musi określić pik z gwałtownym wzrostem, a następnie z wolniejszym zmniejszaniem się, jest wyrażona w postaci próbkowanej.

W ten sposób, funkcja “pik” zabezpieczona przez moduł regulacyjny 104 oraz dająca wartość natężenia gazu uzupełniającego Q_G3 w celu dostarczenia palnikowi 12 może być związana z natężeniem chwilowym ciepłej wody użytkowej Q_ECS przez następujący wzór próbkowania:

Qg3 (ri) — kj*Q_CJ (n -1) + k₂ * ( Qecs (π) ^—Qecs (n ^— 1) gdzie:

<k[ < 1 (kj jest związane z okresem próbkowania pomiarów oraz z bezwładnością urządzenia), k₂ jest współczynnikiem dodatnim regulowanym w zależności od kotła, na przykład w sposób wskazany wyżej,

Q_G3 (n) oraz Q_G3 (n-1) oznaczają wartość piku natężenia gazu w chwilach n oraz n-1

Qecs (ⁿ)^oraz Qecs (ⁿ‘U oznaczają wartość natężenia ciepłej wody użytkowej zmierzonej przez przepływomierz 40 oraz próbkowanej w chwilach n oraz n-1.

Tytułem przykładu, jeśli okres próbkowania pomiarów wynosi 0,5 sekundy, kj może być wybrane równe 0,8 oraz wartość piku będzie sprowadzona do wartości bliskiej zeru pod koniec 5 sekund.

Wykresy figur od 2 do 4 pozwalają lepiej uwidocznić znaczenie modułu regulacyjnego 104.

181 478

Figura 2 pokazuje krzywą 210 przedstawiającą przebieg natężenia ciepłej wody użytkowej Qjcs ^w funkcji czasu, z pierwszym odcinkiem 211 odpowiadającym natężeniu Q_ECS1 stosunkowo normalnemu odpowiadającemu na przykład zużyciu ciepłej wody przez użytkownika biorącego prysznic lub kąpiel. Drugi odcinek 212 odpowiada zwiększonemu natężeniu czerpanej ciepłej wody Q_ECS2 w chwilach ty oraz ty z faktu pobierania ciepłej wody przez innego użytkownika lub urządzenie takie, jak maszyna do mycia naczyń. Trzeci odcinek 213 po chwili ty odpowiada powrotowi do warunków wcześniejszych od chwili ty, to znaczy do wyłączenia pobierania dodatkowego ciepłej wody. Jak można to zobaczyć na fig. 2, pobieranie natężenia dodatkowego ciepłej wody powoduje gwałtowny skok natężenia w chwili ty, w kierunku zwiększenia oraz także gwałtowny skok natężenia, ale w kierunku zmniejszenia, w chwili ty.

Figura 3 pokazuje krzywą 220 przedstawiającą temperaturę wyjściową Ts ciepłej wody użytkowej wytwarzanej przez urządzenie zgodnie z wynalazkiem. Zauważa się, że ta temperatura wyjściowa jest stale równa temperaturze nastawionej Tc albo jest bardzo do niej zbliżona.

Temperatura Ts jest równa temperaturze nastawionej Tc zarówno na odcinku 221, wcześniejszym od chwili ty, jak i podczas większej części odcinka 223 zawartego pomiędzy chwilami tt oraz ty lub na odcinku 225 późniejszym od chwili ty. Bardzo słaby resztkowy wierzchołek ujemny 222 lub bardzo słaby resztkowy wierzchołek dodatni 224 mogą być obecne w sąsiedztwie chwili ty oraz ty, branych pod uwagę czasów reakcji palnika 12, ale te fluktuacje są znacznie mniejsze niż w przypadku układu modulacji nie zawierającego modułu regulacji impulsowej 104 tworzącego selektywne wierzchołki natężenia gazu dodatnie lub ujemne.

Również przedstawiono na fig. 3 za pomocą linii kropkowanej przebieg temperatury wyjściowej Ts ciepłej wody użytkowej w przypadku, gdzie brakowałoby modułu regulacji impulsowej 104, ale gdzie układ sterowania 100 zawierałby tylko jeden bardziej klasyczny moduł regulacyjny 103 o działaniu proporcjonalnym. Taki moduł regulacyjny 103 (fig. 1) otrzymuje informację ze strony przepływomierza 40 oraz dostarcza, do zaworu komutacyjnego 20, sygnał sterujący przebieg natężenia gazu Q_G2 dostarczonego do palnika 12, według prawa proporcjonalności. W przypadku, gdy taki moduł regulacji bezpośredniej 103 jest zastosowany tylko jeden, w przypadku gwałtownej zmiany natężenia ciepłej wody Q_ECS, jak w chwilach tj oraz ty, temperatura Ts oddala się o wiele silniej od wartości nastawionej temperatury Tc oraz o wiele dłużej trwa powrót do tej wartości (odcinki 226 oraz 227 przedstawione liniami kropkowanymi na fig. 3).

W układzie sterowania 100 według wynalazku, dwa moduły regulacyjne 103 oraz 104 współistnieją oraz wysyłają przewodami 142, 141, do obwodu sumatora 105 sygnały sterujące przebiegiem natężenia gazu Q_G według, z jednej strony, przebiegu proporcjonalnego Q_G2 oraz, z drugiej strony, przebiegu impulsowego Q_G3. Zawór 20 jest sterowany za pomocą sygnałów pochodzących z obwodu sumatora 105.

Figura 4 pokazuje krzywą 230 przedstawiającą przebieg, w funkcji czasu, natężenia gazu Q_g dostosowanego do palnika 12 za pomocą zaworu modulacyjnego 20, kiedy ten otrzymuje sygnały sterujące obwodu sumatora 105, którego wejścia sąpołączone, przewodami 142 oraz 141, z modułami regulacyjnymi 103 oraz 104.

We wcześniejszym okresie w chwili tj (odcinek 231), natężenie Q_G gazu jest równe natężeniu Q_G2 gazu ustalonemu przez moduł regulacji proporcjonalnej 103 w zależności od natężenia normalnego ciepłej wody odcinka 211 z fig. 2. W chwili ty, gdy skok natężenia ciepłej wody AQ_ECS jest wykryty przez moduł regulacji impulsowej 104, moduł ten zaczyna natychmiast działać oraz dostarcza zwiększone natężenie gazu Q_G3 (pik 232), który pozwala silnie zmniejszyć, wręcz usunąć, spadek temperatury Ts po chwili tj. Pik natężenia gazu Q_G3powraca stopniowo do zera, ale moduł regulacji proporcjonalnej 103 jest w czasie wejściowym do działania w celu ponownego ustawienia natężenia gazu Q_G2 na wartość wyższą od wartości natężenia wcześniejszego gazu Q_G2 w chwili ty, w celu wzięcia pod uwagę zwiększę10

181 478 nia natężenia pobieranej ciepłej wody Q_ECS. Pik 232 jest również naśladowany przez odcinek 233 w kształcie plateau aż do chwili t₂. W chwili ty, proces regulacji jest identyczny do tego w chwili ty, ale w kierunku przeciwnym. Moduł regulacji impulsowej 104 wykrywa skok ujemny natężenia ciepłej wody AQ_ECS oraz powoduje pik ujemny natężnia gazu Q_G3, który odejmuje się od natężenia poprzedniego Q_G2, następnie to natężenie gazu Q_G3 (pik 234) powraca do zera, oraz biorąc pod uwagę ponowne ustawienie w celu obniżenia natężenia gazu Q_G2określonego przez moduł regulacji proporcjonalnej 103, wartość globalna Q_G natężenia gazu dostarczonego do palnika powraca do wartości mniej więcej równej tej poprzedzającej chwilę ty (odcinek 235).

Regulacja typu impulsowego poprzez moduł regulacyjny 104 oraz regulacja typu bezpośredniego lub proporcjonalnego poprzez moduł regulacyjny 103 nakładają się oraz wykorzystują wszystkie dwie informacje natężenia dostarczone przez przepływomierz 40.

Korzystnie, trzeci typ regulacji może być nałożony na dwa poprzednie rodzaje regulacji. W ten sposób, zauważa się w fig. 1 obwód regulacyjny w pętli zamkniętej 102, który wywołuje, na linii wyjściowej 143, sygnał sterujący natężeniem gazu w obwodzie zamkniętym, który jest dostosowany do obwodu sumatora 105, aby pozwolić, za pośrednictwem zaworu modulacyjnego 20, dostarczyć do palnika 12 natężenie gazu Q_G1 ustawione w zależności od wartości temperatury wody Ts zmierzonej przez czujnik temperaturowy 30. Komparator 101 pozwala na porównanie wartości Ts temperatury zmierzonej ciepłej wody użytkowej, dostarczonej przez linię 32, z temperaturą nastawioną Tc dostarczoną przez linię 31. Odchylenie temperaturowe E stanowi wejście modułu regulacyjnego w pętli zamkniętej 102.

Jednakże, według korzystnego wariantu wykonania, który jest zilustrowany na fig. 5, moduł regulacyjny w pętli zamkniętej 102 zawiera sterownik zgrubny 122 oraz stanowi układ sterowania zgrubnego posiadającego działanie sterowania zgrubnego, funkcje przynależne oraz tabelę implikacyjną.

Sterownik zgrubny 122 otrzymuje na wejściu informację błędu temperaturowego E, który odpowiada różnicy urzeczywistnianej przez komparator 101 pomiędzy temperaturą Ts zmierzoną przez czujnik temperaturowy 30 oraz temperaturą nastawioną Tc.

Sterownik zgrubny 122 otrzymuje na drugim wejściu, za pośrednictwem obwodu różniczkującego 121, połączonego do komparatora 101, informację odpowiadającą pochodnej dE/dt informacji błędu temperaturowego. Sterownik zgrubny 122 dostarcza na wyjściu informację dotyczącą zmiany natężenia gazu dQ_GI, które musi być zastosowane do palnika zespołu 10, 20 ogrzewania wody użytkowej.

Na fig. 6 przedstawiono przykład tabeli implikacyjnej mogącej być użyteczną dla sterownika zgrubnego 122. Symbole ZE, NG, PG przedstawiają odpowiednio człony zero, ujemny duży, dodatni duży, które charakteryzują odchylenie E lub pochodną odchylenia dE/dt poprzednio określone jako zmienne wejściowe sterownika zgrubnego 122, jak również zmienną wyjściową dQ_G1.

Tytułem przykładu, według jednej z reguł, jeśli odchylenie E jest dodatnie duże oraz pochodna odchylenia dE/dt jest również dodatnia oraz duża, wówczas zmienna wyjściowa dQ_G1 powinna być ujemna oraz duża, to znaczy, że to odpowiada zmniejszeniu w sposób wyraźny natężenia gazu Q_G1 zastosowanego do palnika z faktu sterowania modułu regulacyjnego 102.

Jeśli, według innego możliwego przypadku, odchylenie E jest ujemne duże oraz pochodna odchylenia dE/dt jest dodatnia oraz duża, zmienna wyjściowa dQ_G1 będzie zerem, to znaczy, że nie będzie poprawki do przesyłania przez pętlę regulacyjną 102.

Dla różnych przypadków tego szczególnego przykładu, należy odwołać się do tabeli implikacyjnej z fig. 6, która stanowi tabelę macierzową o dwóch wejściach.

Oczywiście, do każdej ze zmiennych wejściowych E, dE/dt oraz wyjściowej dQ_G1 zostały uprzednio dołączone charakterystyki zgrubne NG, ZE oraz PG poprzednio wymienione.

181 478

W ten sposób, tytułem przykładu, można rozpatrzyć, że odchylenie temperaturowe E dostarczone przez komparator 101 jest ujemne duże, jeśli się zawiera pomiędzy -20° oraz +10° oraz jest dodatnie duże, jeśli się zawiera pomiędzy +10° oraz +20° lub powyżej.

Tak samo, tytułem przykładu, zmienna wejściowa dE/dt dostarczona przez układ różniczkujący 121 może być rozpatrzona jako ujemna duża, jeśli zawiera się ona pomiędzy -2°/s oraz - l°/s lub powyżej, zero, jeśli zawiera się ona pomiędzy -l°/s oraz +l°/s oraz dodatnia duża, jeśli zawiera się ona pomiędzy +l°/s oraz +2°/s lub powyżej.

Zmienna wyjściowa dQ_G1 może sama, tytułem przykładu, może być rozpatrzona jako równa wartości -2 m³/h, jeśli ona musi być ujemna duża, zero, jeśli musi być równa zero, lub równa wartości +2 m³/h, jeśli ona musi być dodatnia duża.

Figury 7, 8 oraz 9 pokazują przykłady funkcji przynależnych dotyczących charakterystyk zgrubnych dających się zastosować odpowiednio do odchylenia temperaturowego E, pochodnej odchylenia temperaturowego dE/dt względem czasu oraz zmiany dQ_Gi natężenia gazu.

Odnosząc się do fig. od 7 do 9 widzi się kształt tych funkcji przynależnych, które odpowiadają dla każdej danej zmiennej członowi lub scharakteryzowaniu zgrubnemu (NG, ZE, PG). Znajduje się funkcje przynależne kształtu trójkątnego (dla ZE zastosowanej do zmiennych E oraz dE/dt) dla NG oraz PG (zastosowanych do zmiennych E oraz dE/dt), lub punktowej (zbiory jednoelementowe dla NG, ZE oraz PG zastosowane do zmiennej wyjściowej dQ_G1). Te funkcje przynależne przedstawiają obszary pokrycia oraz zawierają się pomiędzy zerem i jeden dla zmiennych E oraz dE/dt.

Oczywiście, jest możliwe wybranie liczby charakterystyk zgrubnych wyższej od trzech dla każdej ze zmiennych wejściowych, według pożądanej dokładności, bez jednakże wybrania liczby zbyt dużej, która wywoływałaby nasycenie układu.

Sterownik zgrubny 122 zawiera stopień wejściowy złączeniowy pozwalający dostarczyć zmienne wyjściowe zgrubne na podstawie zmiennych E oraz dE/dt biorąc pod uwagę funkcje przynależne tych zmiennych wejściowych. Następnie określono wyjście zgrubne, w stopniu implikacyjnym zgrubnym, na podstawie reguł sterowania wstępnie określonych oraz wyjść zgrubnych wynikających ze stopnia złączeniowego.

W końcu, w stopniu złączeniowym sterownika zgrubnego 122, wytworzono sygnał sterowania zmianą natężenia gazu dQ_G1 przed zastosowaniem do palnika za pomocą zaworu 20. Sygnał sterowania może być otrzymany od wartości zgrubnej wyjścia za pomocą sposobu takiego, że polega on na określeniu środka ważności zbioru reguł wstępnie określonych, których synteza posłużyła do stworzenia skojarzonej tabeli implikacyjnej.

Na wyjściu sterownika zgrubnego 122, możliwe jest wstawić blok regulacyjny typu PI (Proporcjonalno-Całkujący), który pozwoli ustabilizować ewentualne oscylacje układu. Sygnały sterowania pochodzące z modułu sterowania zgrubnego 102 zastosowano do obwodu sumatora 105, który otrzymuje w ten sam sposób, na co poprzednio wskazano w odnośniku do fig.l, sygnały modułu regulacji proporcjonalnej 103 oraz modułu regulacji impulsowej 104.

181 478

PG

NG

FIG.7

0.5-20 -10-8

ZE

O +10

E(°)

0,5NG

NG +20

ZE

PG

FIG.8

O

PG

ZE dE/dtU/s)

FIG.9 dQG (m³/h)

181 478

-i------------------------1-------------------------►

H tZ t

Q4

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Urządzenie do wytwarzania ciepłej wody użytkowej przez kocioł gazowy z palnikiem atmosferycznym, zawierające palenisko kotła wyposażone w palnik zasilany gazem za pośrednictwem zaworu modulacyjnego sterowanego elektrycznie oraz co najmniej jeden wymiennik ciepła pomiędzy wspomnianym paleniskiem oraz obwodem wytwarzania wody użytkowej zawierający przewód doprowadzenia zimnej wody oraz przewód czerpania ciepłej wody użytkowej, znamienne tym, że urządzenie to zawiera ponadto urządzenie (40) do pomiaru natężenia czerpanej ciepłej wody użytkowej (Q_ECS) w obwodzie (11, 14) wytwarzania ciepłej wody użytkowej, urządzenie (30) do pomiaru temperatury (Ts) ciepłej wody użytkowej na wyjściu wymiennika ciepła (13) oraz układ (100) sterowania zaworem modulacyjnym (20) zawierający moduł (102) regulacyjny w obwodzie zamkniętym zaworu modulacyjnego (20) począwszy od temperatury (Ts) mierzonej przez wspomniane urządzenie (30) pomiaru temperatury oraz temperatury nastawionej (Tc), moduł (103) o działaniu proporcjonalnym regulacji bezpośredniej zaworu modulacyjnego (20) na podstawie informacji (Q_ECS) dostarczonych przez urządzenie (40) pomiarowe natężenia czerpania wody (Q_ECS), oraz moduł (104) regulacji impulsowej zaworu modulacyjnego (20) na podstawie wykrytych zmian natężenia przez urządzenie (40) pomiarowe natężenia, moduł (104) regulacji impulsowej wywołujący sygnał tworzący pik natężenia zasilania gazem palnika (12) za pomocą zaworu modulacyjnego (20) przy każdej znaczącej, gwałtownej zmianie natężenia czerpania ciepłej wody użytkowej (Qecs) mierzonej przez wspomniane urządzenie pomiarowe (40), pik jest dodatni lub ujemny według tego jak zmiana odpowiada zwiększeniu lub zmniejszeniu tego natężenia, wartości początkowa oraz końcowa piku wynoszą zero oraz amplituda piku jest proporcjonalna do wykrytej zmiany natężenia.
2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że moduł (104) regulacji impulsowej zawiera środki do wywołania sygnału próbkowanego tworzącego pik natężenia gazu (Q_G3), którego wartość jest otrzymywana w zależności od natężenia czerpanej ciepłej wody użytkowej (Q_Ecs)za pomocą następującego wzoru próbkowania:

Qg3 (n) — ki*Q_G3(n-l)+k₂*( Qecs (π) ^— Oecs (η -1) , gdzie:

k] jest współczynnikiem, którego wartość zawiera się pomiędzy 0 i 1, k₂ jest parametrem dodatnim regulowanym w zależności od typu kotła, Q_g3 (n) oraz Q_G3 (n-1) oznaczają wartość piku natężenia gazu (Q_G3) w chwilach n oraz n-1, oraz

Qecs (ⁿ) ^oraz Qecs (^ηΌ oznaczają wartość piku natężenia czerpania wody użytkowej w chwilach n oraz n-1.
3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że moduł (104) regulacji impulsowej zawiera środki, aby określić parametr dodatni k₂ regulowany w zależności od typu kotła, na podstawie następujących danych: pojemność cieplna Cp wody, sprawność η instalacji, wartość opałowa dolna PCI gazu, temperatura nastawiona Tc oraz temperatura zimnej wody Tef wprowadzonej do obwodu cyrkulacji ciepłej wody użytkowej, według wzoru k₂ = Cp*(Tc-Tef)/p*PCI.

181 478
4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że moduł (102) regulacyjny w obwodzie zamkniętym zawiera obwód automatycznego sterowania proporcjonalnocałkująco-różniczkujący (PID), którego wielkość wejściowa jest utworzona przez odchylenie pomiędzy temperaturą (Ts) zmierzoną przez urządzenie (30) pomiarowe temperatury (Ts) oraz temperaturą nastawioną (Tc).
5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że moduł (102) regulacyjny w obwodzie zamkniętym zawiera sterownik zgrubny (122) otrzymujący na wejściu informację błędu temperaturowego E odpowiadającego różnicy pomiędzy temperaturą (Ts) zmierzoną przez wspomniane urządzenie (30) pomiarowe temperatury oraz temperaturą nastawioną (Tc), jak również informację (dE/dt) odpowiadającą pochodnej względem czasu informacji błędu temperaturowego.
6. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że moduł (102) regulacyjny w obwodzie zamkniętym zawiera ponadto obwód automatycznego sterowania (123) proporcjonalno-całkujący (PI) umieszczony na wyjściu sterownika zgrubnego (122) oraz otrzymujący na wejściu informację (dQ_G) zmian natężenia zasilania gazem palnika.
7. Sposób wytwarzania ciepłej wody użytkowej w urządzeniu wytwarzania ciepłej wody użytkowej przez wymianę ciepła z paleniskiem kotła gazowego zawierającym palnik atmosferyczny, którego natężenie zasilania gazem jest modulowane z układu automatycznego sterowania i przez regulację temperatury, znamienny tym, że regulację temperatury prowadzi się poprzez uzależnienie natężenia (Q_G) zasilania gazem wspomnianego palnika od pomiaru natężenia (Q_ECS) czerpania ciepłej wody użytkowej, z jednej strony, przez regulację bezpośrednią o działaniu proporcjonalnym na podstawie wspomnianego pomiaru natężenia (Q_ECS)' czerpania ciepłej wody użytkowej oraz, z drugiej strony, przez regulację impulsową na podstawie znaczących skoków (AQ_ECS) wartości zmierzonej natężenia (Q_ECS) czerpania ciepłej wody użytkowej, przy czym regulacja impulsowa wywiera wpływ na natężenie (Q_G) zasilania gazem palnika w taki sposób, aby stworzyć pik według funkcji “pik” f(t) takiej, że, jeśli t = 0 jest chwilą skoku natężenia (AQ_ECS) dodatniego, odpowiednio ujemnego, funkcja f(t) jest zdefiniowana przez:

f (0-) = 0 f (0+) = k₂AQ_ECS, ze współczynnikiem k₂, dodatnim, f jest malejąca (odp. rosnąca) w przedziale ]0, + oc [ lim f(t) = 0 t —» + oc .
8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że współczynnik dodatni k₂ reguluje się w zależności od typu kotła, na podstawie następujących informacji: pojemności cieplnej Cp wody, sprawności η urządzenia, wartości opałowej dolnej PCI gazu, temperatury nastawionej (Tc) oraz temperatury zimnej wody (Tef) wprowadzonej do obwodu cyrkulacji ciepłej wody użytkowej, według wzoru:

k₂=Cp*(Tc-Tef)/η*ΡΟΙ.
9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że natężenie (Q_G) zasilania gazem wspomnianego palnika ponadto uzależnia się od odchylenia pomiędzy temperaturą rzeczywistą (Ts) wytwarzanej ciepłej wody użytkowej oraz temperaturą nastawioną (Tc) według automatycznego sterowania w obwodzie zamkniętym proporcjonalno-całkująco-różniczkującym (PID).
10. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że natężenie (Q_G) zasilania gazem wspomnianego palnika ponadto uzależnia się przez układ sterowania zgrubny, od informacji błędu temperatury E odpowiadającego różnicy pomiędzy temperaturą rzeczywistą (Ts) wytwarzanej ciepłej wody użytkowej oraz temperaturą nastawioną (Tc) oraz od informacji odpowiadającej pochodnej względem czasu informacji E błędu temperaturowego.

181 478
11. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że natężenie (Q_G) zasilania gazem wspomnianego palnika ponadto uzależnia się od informacji wyjściowej układu sterowania zgrubnego stosownie do automatycznego sterowania w układzie proporcjonalno-całkującym (PI).

♦ * *